Fasa dan Aturan Fasa

Fasa adalah sejumlah zat yang homogen baik secara kimia maupun fisika, atau dapat juga dikatakan bahwa sebuah sistem yang homogen adalah suatu fasa. Secara umum telah dikenal tiga kelompok fasa yaitu; fasa gas, fasa cair dan fasa padat.

Sifat suatu fasa dinyatakan dengan properti-properti intensif, dan biasanya properti-properti intensif yang diperhatikan adalah temperatur, tekanan, dan konsentrasi. Banyaknya properti intensif yang harus ditetapkan atau harus dinyatakan agar keadaan setimbang tidak menjadi samar-samar bisa dihitung dengan menggunakan aturan fasa (Phase Rule). Aturan fasa untuk pertama kali diperkenalkan oleh J. Willard Gibbs (tahun 1875), tetapi baru dipublikasikan 20 tahun kemudian.

            Misalkan pada sebuah sistem terdapat p buah fasa dan C buah komponen yang tersebar ke dalam setiap fasa, maka derajat kebebasan (degree of Freedom) atau biasanya juga disebut Varian (f). Derajat kebebasan (degree of Freedom) adalah banyaknya variabel intensif yang dapat secara bebas divariasikan tanpa mengubah banyaknya fasa yang ada pada sistem, atau banyaknya variabel intensif yang harus ditentukan agar nilai semua variabel yang tersisa dapat diketahui, atau banyaknya variabel intensif yang digunakan untuk mencirikan suatu sistem, dikurangi dengan banyaknya hubungan-hubungan atau batasan-batasan yang menghubungkan setiap fasa. Dengan kata lain, sebuah sistem dengan p buah fasa dan C buah komponen hanya dijelaskan atau di terangkan keadaan setimbangnya dengan lengkap apabila diberikan nilai variabel intensif sebanyak f, dengan definisi :

            F = C – p + 2                                                                                           (1)

            Sebagai contoh; pertimbangkan sebuah sistem yang terdiri dari satu komponen dan satu fasa, dan keadaannya hanya dinyatakan dengan satu variabel intensif saja, misalnya temperatur 30 oC. hal seperti ini belum memberikan informasi yang cukup kepada kita tentang keadaan sistem tersebut, karena temperatur sebesar 30 oC itu bisa saja berada pada tekanan 0.5 atm, 1 psi, 2 atm dab sebagainya. Agar sistem itu bisa dinyatakan dengan lengkap maka harus ada variabel intensif lain yang harus diberikan misalkan tekanannya 1 atm. Dengan adanya dua variabel intensif yang diketahui nilainya, maka sistem tersebut (1 fasa dan 1 komponen) dan telah dijelaskan dengan sempurna dan memenuhi aturan fasa, yaitu ;

f = 1- 1 +2 = 2                                                  

1. Proses Perubahan Fasa Sistem

 Untuk Bahan murni (yaitu Bahan yang mempunyai komposisi kimia tetap), maka proses perubahan fasa dapat di terangkan sebagai berikut ini. Ditinjau suatu bejana yang diisi air (T=20 oC ; P = 1 atm) seperti terlihat pada Gambar 1.

                             Gambar 1. Proses Perubahan Fasa dari Air

penjelasannya sebagai berikut :

  1. Air pada suhu 20 oC dan tekanan 1 atm ingin didihkan, titik didih air pada 1 atm adalah 100 oC. oleh karena air pada (a) tersebut masih jauh dari titik didihnya, maka air tersebut digolongkan ke dalam Subcooled Liquid atau Compressed Liquid.
  2. Pada tekanan 1 atm dan suhu 100 oC air masih tetap dalam fasa cair (liquid), tetapi siap/segera menguap. Air dengan kondisi demikian disebut Cairan Jenuh (Saturated Liquid).
  3. Selanjutnya sebagian air dalam fasa cair sudah menjadi uap, berarti di dalam sistem sekarang terdapat dua fasa (air dalam fasa cair dan air dalam fasa uap).
  4. Tekanan dan temperatur dari dijaga konstan (tetap), sehingga sebagian uap siap/segera akan mengembun, uap demikian disebut dengan uap jenuh (Saturated Vapor/Saturated Steam).
  5. Selanjutnya panas terus saja diberikan kepada sistem dan suhu uap akan naik melebihi suhu didih air. Uap dengan kondisi demikian disebut uap lewat jenuh (Superheated Vapor/Superheated Steam).

State-1 sampai dengan state-5 dapat di visualisasikan dalam bentuk grafik hubungan T versus v seperti berikut ini.

Gambar 2. Diagram Perubahan Fasa hubungan Tv

Apabila percobaan tersebut dilakukan untuk berbagai nilai tekanan (mulai dari tekanan rendah ke tekanan tinggi), maka suatu saat akan dijumpai suatu titik kritis, yaitu titik dimana antara fasa cair dan fasa uap memiliki sifat-sifat fisis yang sama. Untuk air misalnya, titik kritisnya dapat digambarkan sebagai berikut.

Gambar 4. Titik kritis air

Untuk mengetahui, apakah suatu zat yang berada pada P dan T tertentu termasuk ke dalam superheated vapor atau termasuk ke dalam compressed liquid, maka dapat dilihat dari karakter-karakter berikut.

Gambar 5.  Karakte zat pada berbagai keadaan

2.   Campuran Jenuh Uap-Cair

Pada region campuran jenuh cair-uap, perlu dipertimbangkan suatu parameter yang dinamakan dengan Quality (x), yaitu perbandingan massa uap jenuh dengan massa total campuran jenuh.

dari sini dapat dibuat suatu hubungan antara properti cair jenuh dan properti uap jenuh seperti berikut ini.

y dapat berupa v, u, dan h tergantung kebutuhan. Misalnya u, maka persamaan   (1-2) menjadi:

keterangan :  u  = energi dalam rata-rata dalam campuran jenuh

uf  = energi dalam cairan jenuh

ug = energi dalam uap jenuh.

Seperti kebanyakan soal dalam bidang Thermodinamika ini adalah sangat kompleks dan cukup panjang, oleh karenanya dibutuhkan suatu metode analisis masalah secara sistematis agar dapat dikerjakan dengan pemahaman yang mudah.

Perhatikan Ilustrasi berikut ini.

Sebuah tangki dengan volume 0.1 m3 mula-mula berisi steam dengan tekanan 500 kPa dan temperatur 200 oC. Selanjutnya steam didinginkan sampai temperatur 50oC. Tentukan berapa jumlah Panas yang dilepaskan selama proses pendinginan ini berlangsung dan tentukan juga tekanan akhir tangki tersebut.

 Penyelesaian :

Step-1: gambarkan atau sketsakan fisik dari sistem yang dimaksud, serta cantumkan nilai-nilai yang diketahui pada gambar.

           

Step-2 : lakukan pengecekan terhadap proses yang berlangsung.

Sistem tertutup berarti massa sistem konstan. Dan diketahui bahwa selama proses berlangsung tidak terjadi perubahan volume sistem, sehingga : v1 = v2 dan W = 0.

 Step-3  : Buatlah beberapa Asumsi, jika dianggap perlu.

= 0, karena tidak disebutkan perbedaan ketinggian

 = 0, karena tidak dicantumkan perbedaan kecepatan.

 Step-4  : Gunakan Prinsip Konservasi Massa dan Energi

            m2 = m1 = m                                         massa

                          energi

Step-5  : gambarkan diagram Proses

            

Step-6  : menentukan properti yang diperlukan untuk mendapat  hasil  yang  diinginkan

About Heri Rustamaji

Dosen Teknik Kimia Universitas Lampung

Posted on May 22, 2012, in Termodinamika Teknik Kimia. Bookmark the permalink. Leave a comment.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: